Diese Erfindung betrifft einen Apparat, der als "Kryosonde" bzw. "Kühlsonde" bezeichnet wird und zum Kühlen oder Heizen einer flexiblen Oberfläche dient. Dieser Apparat lässt sich speziell für die Wärmebehandlung der Haut des menschlichen oder tierischen Körpers einsetzen.

Das Hauptziel der Kryosonde ist es, die traditionell verwendeten Eiswürfel sowie sonstige Kühlmedien zu ersetzen. Obwohl damit auch die Wärmetherapie möglich ist, wird die Kryosonde hauptsächlich von Physiotherapeuten und in der Allgemeinmedizin angewandt. Das Kühlen ist eine gute Therapie und ein bewährtes Verfahren gegen spezifische Entzündungen, was schon seit mehreren Jahrhunderten bekannt ist. Verglichen mit existierenden Mitteln hat diese Kryosonde den Vorteil, das sich die Temperatur, Leistung und Kühlzeit regeln lassen. Die Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich in Form einer gut handhabbaren Handsonde konstruieren, wie man aus Fig. 13 ersehen kann, die ein dreidimensionales Modell zeigt. Die Kryosonde hat ein enorm große Kühlleistung.

Spezifische Krankheiten erfordern eine lokale Behandlung der Haut mit Kälte oder Wärme, oder eine Behandlung mit geregelten Temperaturvariationen und einer großen Kühlleistung. Weil das Hauptziel der Sonde die Kühlung ist, wird hauptsächlich der Kühlaspekt erläutert. Kälte ist bis jetzt eine der ältesten und am häufigsten eingesetzten Mittel bei der Behandlung von akuten muskuloskelettalen Verletzungen. Sie hat verschiedenen Autoren zufolge die folgenden vorteilhaften Wirkungen:

1. Increase of blood circulation (Travell, J., Simons, D.: Myofascial Pain and Dysfunction, The Trigger point manual, Volume 1 & 2, Williams & Wilkins)

2. Increase of articular mobility (Nielson, A. J.: Spray and stretch for relief of myofascial pain. Physical Therapy, 58, 567-569, 1978)

3. Diminish inflammation (Schmidt, K. L., e. a.: Heat, cold and inflammation. Zeitschrift für Rheumatologie, 38, 391-404, 1979)

4. Diminish oedema (Meeusen R. e. a.: Cryotherapy in sportmedicine - the effect of topical ice application on the permeability of the lymphvessels, Sports and Medicine. McGregor and Moncur, 246-250, 1986)

5. Increase of muscular relaxation (Clenendi, N. M. A and Czumski, A. J.: Influence of cutaneous ice application on single motor units in humans. Physical Therapy, 51, 166-175, 1971)

6. Diminish muscular spasms (6) (Lee, J. M. and Warren, M. P.: Cold Therapy in rehabilitation, Belt & Hymen, London, 1978)

7. Diminish pain (Grant, A. E.: Massage with ice in the treatment of painful conditions of the musculoskeletal system, Arch. Phys. Med. Rehab., 44, 233-238, 1964)

8. Breaking the pain and spasm cycle (8) (Oison, J. E. and Stravino, V. D.: A review of cryotherapy. Physical Therapy, 53, 53, 840-853, 1972)

In der Vergangenheit kam die Kältetherapie oder Krypotherapie unter Verwendung von Eiswürfeln zum Einsatz, entweder mit oder ohne Gehäuse, z. B. in einer wasserdichten Tasche oder einem Becher. Zur gleichen Zeit wurden Taschen mit einem spezifischen Gel zum Verkauf angeboten. Diese wurden in einem Kühlraum gekühlt. Danach wurden sie auf der Haut angewendet. Alternativ wurde über ein Kühlsystem kalte Luft auf die Haut eines Körperteils geblasen.

Ein anderes Verfahren ist die Anwendung von sehr flüchtigen Substanzen mit einem niedrigen Siedepunkt, wie Ethylchlorid und/oder Fluormethan. Diese Substanzen sind Chlorfluorkohlenstoffe (CFK), die für die Ozonschicht schädlich und für Menschen giftig sind. Ihre Verwendung ist deswegen in bestimmten Staaten der USA verboten worden.

Alle oben erwähnten Systeme haben das Problem, das die Temperaturregelung des Kühlmediums und der behandelten Oberfläche sehr schlecht bzw. sogar unmöglich ist. Ferner ist auch die Kühlleistung anderer Medium zu niedrig, um therapeutisch von Bedeutung zu sein.

Die Aufgabe besteht somit darin, ein System zu entwickeln, mit dem die Wärmeerzeugung bzw. die Wärmeableitung kontinuierlich und mit einer ausreichenden Leistung geregelt werden kann. Ein solches System ermöglicht, das Eis zu ersetzen und hat den Vorteil, dass sich es sich für die Anwendung in einer handlichen Form konstruieren lässt, siehe Fig. 13).

Das US-Patent US-A-4, 519, 389 beschreibt eine Kryosonde zum Gefrieren einer Augenlinse bei der Operation. Diese Kryosonde besteht aus einem kleinen Peltier-Element. Die kalte Seite hat direkten Kontakt mit der Augenlinse. Die warme Seite ist an ein Wärmeableitungselement montiert, das als elektrischer Leiter eingesetzt werden kann. Das Wärmeableitungselement wird durch die Umgebungsatmosphäre gekühlt oder durch den Kontakt mit der Hand des Arztes.

Obwohl diese Ausführung der Kryosonde für das Kühlen kleiner Oberflächen, wie die einer Augenlinse, geeignet ist, ist sie für das Kühlen größerer Körper wie gut durchbluteter Haut, Muskeln und sonstigen darunter liegenden Geweben ungeeignet.

Einerseits kann ein auf diese Weise montiertes Peltier-Element nicht den erforderlichen Wärmetransport bereitstellen. Andererseits ist es unmöglich, dass die von denn Körperteil freigesetzte Wärmemenge durch die Umgebungsluft abgeleitet wird, es sei denn, dass der Wärmefluss in hohem Maße erzwungen wird.

Zum gleichen Zeitpunkt, an dem die Wärme abgeführt wird, muss sie auf geeignete Weise durch die Kryosonde geleitet werden, und zwar so dass die Umgebung nicht unerwünschterweise einen Teil des Nutzwärmetransports rückgängig macht.

Auch in den Patenten US-A-3,207,159, US-A-4,585,002, US-A-4,860,748, US-A-3,133,539, US-A- 3,168,895, US-A-4,915,108, EP-A-0 552 379 und EP-A-0 651 308 werden Peltier-Elemente zum Kühlen der Haut eingesetzt. Jedoch hat keines der darin enthaltenen Ausführungsbeispiele eine Nutzkühlkapazität, die mit der Kapazität von Eis vergleichbar ist.

Im Patent FR-A-2 613 611 wird eine Kryosonde offenbart, die ein Peltier-Modul mit Stromversorgung und Kühlkopf umfasst. Ein Wärmetauscher, der eine thermisch leitende Flüssigkeit enthält, hat Kontakt mit der warmen Seite des Peltier-Moduls. Diese Baugruppe weist jedoch einige Nachteile auf, die durch die vorliegende Erfindung, wie nachstehend dargelegt wird, gelöst werden. Im Patent WO-A-9 316 667 wird eine Kryosonde offenbart, die einen kalten Behälter und eine mit dem kalten Behälter in thermischer Verbindung stehende abnehmbare Spitze umfasst. Im Patent US-A-5 097 828 wird eine therapeutische Vorrichtung mit einem thermisch leitenden Kopf offenbart, der eine thermisch leitende Kontaktplatte umfasst, die gegen den Kopf thermisch isoliert ist. Für die Heizung oder Kühlung der Kontaktplatte wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die den Peltier-Effekt nutzt. Der Kopf hat die Funktion einer Wärmesenke.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kryosonde oder Kühlsonde bereitzustellen, die ein Peltier-Element oder -Modul umfasst, das eine ausreichend große Kühlleistung erzeugt, vorzugsweise mit 30 Watt Pumpleistung bei einer Fläche von 9 cm².

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass der Wirkungsgrad der Kryosonde mit dem Einsatz von Eis oder sonstigen Medien, die für diese Anwendung eingesetzt werden, vergleichbar ist.

Ferner besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, dass die Kryosonde einfach zu handhaben ist und in einer benutzerfreundlichen Form ausgeführt wird.

Eine weitere Aufgabe ist es, eine neue Technik für die Befestigung eines Peltier-Moduls zu erarbeiten, mit der sich ein optimaler Wärmetransport erzielen lässt:

- von der kalten Seite des Peltier-Moduls zum Kühlkopf; und

- von der warmen Seite des Peltier-Moduls zum Wärmeableitungselement.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Temperatur der Kryosonde zu regeln und anzusteuern, damit eine möglichst lange Lebensdauer des Peltier-Moduls sichergestellt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Kryosonde für die Anwendung an elastischen Oberflächen tauglich zu machen.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Rahmen der folgenden Beschreibung offenbart und offenkundig.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kyrosonde bzw. eine Kühlsonde, mit den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen. Spezifischere Merkmale für bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen dargelegt.

Durch den Einsatz eines Peltier-Moduls lässt sich, wie im Weiteren ausführlich beschrieben wird, mehr Wärme als mit einem Peltier-Element ableiten. Im nachstehenden Text werden die Begriffe Peltier- Element und Peltier-Modul als austauschbare Begriffe verwendet, die sich immer auf ein Peltier-Modul beziehen. Es wird bevorzugt, den Kühlkopf so zu gestalten, dass er die gewünschte Form der zu kühlenden Oberfläche annimmt.

Für die Kältetherapie von Hautoberflächen wird bevorzugt, dass dieser Kühlkopf die Form eines abgeschnittenen Kegels aufweist bzw. konisch ist. Diese Form erhöht den kontinuierlichen Wärmetransport von der Grundfläche des Konus, wo sich das Peltier-Element befindet, zum oberen Ende, wo sich die zu kühlende Oberfläche befindet. Der obere Teil dieses Konus, der die Haut berührt, ist vorzugsweise leicht kugelförmig. Die Außenfläche der Konusform des Kühlkopfs ist vorzugsweise durch ein Isolierkunststoffgehäuse isoliert, und zwar von oben bis unten.

Ein Temperaturfühler im Kühlkopf dient mit Hilfe der erforderlichen Elektronik zur Temperaturregelung des Kühlkopfs, so dass die entsprechenden korrekten elektronischen Maßnahmen ausgeführt werden können, wenn die Temperatur einen unerwünschten Wert erreicht. Mit einem Wärmeableitungselement oder einer Kühlrippe lässt sich die auf der warmen Seite des Peltier-Moduls erzeugte Wärme ableiten. Die thermisch leitende Flüssigkeit, die mit dem Wärmeableitungselement Kontakt hat, sorgt für eine gute Wärmeableitung, ohne eine zu große Geräuschentwicklung. Hochdruckluft könnte zwar für die Wärmeableitung eingesetzt werden, erscheint aber dafür weniger gut geeignet zu sein als Flüssigkeiten mit einer hohen Wärmeabsorption, wie z. B. Ethylglykol mit Wasser.

Die Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele offenbart, die sich auf die beigefügten Figuren beziehen, wobei:

Fig. 1 ein Querschnitt der Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Fig. 2 eine Draufsicht der Kryosonde gemäß des Querschnitts längs der Ebene 1-1 in Fig. 1 ist.

Fig. 3 eine Draufsicht der Kryosonde gemäß des Querschnitts längs der Ebene 2-2 in Fig. 1 ist.

Fig. 4 den Seebeck-Effekt zeigt.

Fig. 5 den Peltier-Effekt zeigt.

Fig. 6 eine Darstellung des theoretischen Kühlapparats zeigt.

Fig. 7 die maximale Kühlleistung Qc in Abhängigkeit der Temperatur Tc an der kalten Verbindungsstelle des Peltier-Moduls zeigt.

Fig. 8 die maximale Kühlleistung Qh in Abhängigkeit der Temperatur Th an der warmen Verbindungsstelle des Peltier-Moduls zeigt.

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher-Kühlung zeigt.

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Wärmetauschers mit einer Kompressorkühleinheit zeigt.

Fig. 11 ein Blockschaltbild des elektronischen Regelungsmechanismus zeigt.

Fig. 12 in einer Explosionsdarstellung die wichtigsten Teile in einem dreidimensionalen Modell der Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 13 eine dreidimensionale Ansicht der zusammengebauten Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 14a das obere Gehäuse einer spezifischen Kryosonde zeigt.

Fig. 14b das untere, mit Fig. 14a korrespondierende Gehäuse zeigt.

Fig. 15a eine Seitenansicht des unteren Teils des Wärmeableitungselements zeigt.

Fig. 15b eine Draufsicht des oberen Teils des Wärmeableitungselements zeigt.

Fig. 16a eine Seitenansicht des Kühlkopfs zeigt.

Fig. 16a eine Draufsicht des Kühlkopfs zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt der Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung, mit wesentlichen Teilen gemäß der Darlegung in Anspruch 1. Ein Ausführungsbeispiel für die Kryosonde wird jetzt in Verbindung mit Fig. 1, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a und 16b beschrieben. Gleiche Bezugszeichen dienen zur Angabe der gleichen Elemente in den verschiedene Figuren.

Das Gehäuse 21, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, wird in Fig. 14a und Fig. 14b detaillierter dargestellt. Das Gehäuse 21 umfasst das untere Gehäuse 21a und das obere Gehäuse 21b. Das obere Gehäuse 21b hat auf der Außenfläche einen schmalen Teil 81, der genau in den weiteren Teil 82 der Innenfläche des unteren Gehäuses 21a passt. Bei der Montage werden beide Teile ineinander gefügt und zusammengebaut. Das untere Gehäuse hat unten einen weiteren Abschnitt als beispielsweise in der Mitte, derart dass ein Flansch 83 gebildet wird.

Fig. 15a und Fig. 15b zeigen ein Wärmeableitungselement 24. Dieses Element ist vorzugsweise aus Kupfer, da der Wärmetransport von Kupfer dreimal besser ist der von Aluminimum. Infolge der besseren Wärmeableitung ist die Temperatur der warmen Verbindungsstelle niedriger. So wird der Wirkungsgrad des Peltier-Moduls beträchtlich verbessert. Alle Kupferteile sind vorzugsweise mit einer dünnen Silberschicht überzogen. Das Silber ist vorzugsweise passiviert, um eine Oxidation des Kupfers und Silbers zu vermeiden. Das Wärmeableitungselement umfasst eine untere Kreisscheibe 84 mit einem Durchmesser von 44,8 mm und einer Dicke von 6,5 mm. Die zylinderische Außenfläche der Scheibe 84 ist mit einer Rille versehen, die eine Tiefe von 2 mm und eine Breite von 1,5 mm aufweist. In diese Rille kann ein O-Ring (siehe Fig. 1) zum Abdichten der Kühlflüssigkeit eingelegt werden. Auf der Scheibe 84 wird ein Becher 86 montiert. Die Außenfläche des Bechers ist zylindrisch, die Innenfläche weist breite Kühlrippen 87 auf. Der Becher ist auf der oberen Seite durch einen Deckel (nicht dargestellt) abgedichtet, der zwei Schläuche aufweist: einen für die Zuleitung und einen für die Ableitung der Kühlflüssigkeit. Es ist wichtig, dass sich die Öffnungen für die Schläuche im Becher auf einer verschiedenen Höhe befinden, um zu vermeiden, dass die zugeleitete Kühlflüssigkeit direkt abgeleitet wird. Es wurde ein besserer Wirkungsgrad erzielt, wenn die Kühlflüssigkeit über die unten im Becher positionierte Eintrittsöffnung zugeleitet und über die obere Austrittsöffnung im Becher abgeleitet wurde. Der Deckel des Bechers ist vorzugsweise aus Kupfer und wird bei der Fertigung auf den Becher gelötet. So bildet das ganze Wärmeableitungselement einen geschlossenen Wärmekreis, der den Wärmetransport beachtlich verbessert. Die untere Kreisscheibe 84 ist mit vier Durchgangslöcher 46a, 46b, 46c und 46d für Schrauben versehen, die nachstehend ausführlich beschrieben werden. Außerdem ist eine Öffnung 88 für die Durchführung der Leiter des Wärmefühlers vorgesehen.

Fig. 16b zeigt eine Draufsicht des Kühlkopfs 23. Auch der Kühlkopf hat eine kreisförmige Rille 89, in die ein O-Ring zum Abdichten eingelegt werden kann. Der Kühlkopf hat vier Gewindelöcher 43a, 43b, 43c und 43d für Schrauben, die vorzugsweise eine Tiefe von 7 mm und ein Gewinde M3 aufweisen. Diese Löcher befinden sich vorzugsweise in gleichen Abständen auf einem Lochkreis. Außerdem hat der Kühlkopf ein Loch 91 für den Wärmefühler. Die Löcher 43a, 43b, 43c und 43d und das Loch 91 lassen genug Platz, um auf dem Kühlkopf ein Peltier-Modul zu montieren, das durch die Strichlinien, die auf Fig. 16b ein Quadrat bilden, angedeutet ist. Es ist klar, dass der Kühlkopf 23 eine größere Fläche als die Fläche der unteren Ebene des Bechers 86 des Wärmeableitungselements aufweist. Deshalb ist es vorteilhaft, für das Wärmeableitungselement ein Metall auszuwählen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit (Kupfer) als der Kühlkopf (Aluminium) hat, obwohl das spezifische Gewicht von Kupfer viel höher ist als das von Aluminium.

Die Kryosonde wird jetzt folgendermaßen zusammengebaut. Zuerst wird der Temperaturfühler in das Loch 91 des Kühlkopfs montiert. Durch Verwendung von Wärmeleitpaste für den Einbau des Fühlers in das Loch wird ein guter thermisch leitender Kontakt zwischen dem Fühler und dem Kühlkopf erreicht. Die Wärmeleitpaste darf thermisch leitende Silikone enthalten, wie z. B. Dow Corning 340 "Heat Sink Compound" oder Silber-Klebstoff, wie z. B. "AMICON ct 4042-32". Dann wird die obere Fläche des Kühlkopfs mit einer thermisch leitenden Silikonschicht versehen. Auf dieser Schicht wird das Peltier- Modul montiert, wodurch ein guter thermischer Kontakt mit dem Kühlkopf hergestellt wird. Die obere Seite des Peltier-Moduls wird vorzugsweise auch mit einer Schicht thermisch leitender Silikone versehen. Die Leiter des Wärmefühlers werden durch den Kanal 88 im Wärmeableitungselement geführt und danach wird das Wärmeableitungselement auf den thermisch leitenden Silikonen platziert, und zwar oben auf der warmen Verbindungsstelle des Peltier-Moduls. An jedem Loch 46a, 46b, 46c und 46d des Wärmeableitungselements wird ein Kunststoffring beigelegt, um die Stahlschrauben gegenüber dem Wärmeableitungselement thermisch zu isolieren und den Wasserkreislauf gegenüber dem Kühlkopf galvanisch zu isolieren. Dann werden die vier Edelstahlschrauben durch die Ringe und in die Löcher 46a, 46b, 46c und 46d des Wärmeableitungselements gesteckt und in die entsprechenden Gewindelöcher 43a, 43b, 43c und 43d des Kühlkopfs geschraubt. Die von diesen Schnauben eingeleitete Kraft ist dafür maßgebend, mit welchem Druck das Peltier-Modul zwischen den Kühlkopf und das Wärmeableitungselement gepresst wird. Die Edelstahlschrauben können durch Kunststoffschrauben, vorzugsweise aus Nylon, ersetzt werden. Solche Schrauben sind der Expansion und Kompression der Baugruppe infolge einer Temperaturvariation gewachsen. Dadurch wird eine übermäßige Dehnung des Peltier-Moduls vermieden. Infolge der vier Schrauben hat der thermisch leitende Klebstoff überwiegend die Funktion eines wärmeleitenden Elements und nicht die eines Klebstoffs. So kann der Klebstoff an der kalten und warmen Verbindungsstelle des Peltier-Moduls durch eine Wärmeleitpaste oder die Paste durch den Klebstoff ersetzt werden. In die Rillen 85 und 89 werden die jeweiligen O-Ringe eingelegt. Die geschraubte Baugruppe, die durch den Kühlkopf, das Peltier-Modul und das Wärmeableitungselement gebildet wird, wird jetzt in das untere, in Fig. 14b dargestellte Gehäuse 21a gedrückt, und zwar von unten nach oben. Vorzugsweise wird auf die O-Ringe und auf das Wärmeableitungselement PVC-Klebstoff aufgetragen. Da das Gehäuse vorzugsweise aus dem Material PVC-M2 ist, das von Eriks hergestellt wird, ist der Klebstoff mit dem Gehäuse kompatibel. Der Auftrag des Klebstoffs verbessert die Gleitung der Baugruppe im unteren Gehäuse. Nach der Aushärtung ist die Baugruppe im Gehäuse sicher verankert. Die Baugruppe wird dabei so weit im unteren Gehäuse verschoben, bis der O-Ring 90 des Kühlkopfs gegen den Flansch 83 des Gehäuses stößt. So wird das Peltier-Modul gegen Schläge oder Stöße geschützt, sogar wenn der Kühlkopf gegen eine feste Oberfläche prallt. Außerdem sorgen die O-Ringe für eine gute thermische Isolation, was die Schlüsseleigenschaft für einen guten Betrieb der Kryosonde darstellt. Da das keramische Peltier-Modul durch die O-Ringe schwimmend gelagert wird, weist das Modul eine viel höhere Stoßfestigkeit auf.

Wenn die Kryosonde zum Heizen einer Oberfläche eingesetzt wird, wird das Wärmeableitungselement durch das Peltier-Modul gekühlt. Durch diese Maßnahme kann die Kühlflüssigkeit gefrieren, wenn ihr kein Frostschutzmittel wie Glykol hinzugefügt wurde. Am Primärkreis, wo das Freon entspannt wird, kann das Wasser eine Temperatur von -7ºC erreichen. In einem solchen Fall kann kein reines Wasser eingesetzt werden, da es bei 0ºC gefriert. Wo das Freon im Kompressions-/Expansionssystem verdichtet wird, wird die erzeugte Wärme von der Umgebungsluft abgeleitet.

Im Normalbetrieb wird die Kühlflüssigkeit umgewälzt und im Kompressor gekühlt. Da kein ein zweites Peltier-Modul zum Kühlen der Kühlflüssigkeit und kein Luft/Luft-System eingesetzt wird, sondern vielmehr ein Kompressions-Expansionssystem, ist die Temperatur der Kühlflüssigkeit und somit auch der optimale Betrieb des Peltier-Moduls und der gesamten Kryosonde stärker unabhängig von der Umgebungstemperatur. Sogar in einer Umgebung von 30ºC, ist der Betrieb des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung noch gemäß den technischen Daten möglich.

Das wichtigste Betriebsteil ist das Peltier-Modul 22 in Fig. 1, 2. Ein Peltier-Modul, das sich für die erfindungsgemäße Kryosonde eignet, ist der Typ CP-1.4-71-045, der von MELCOR hergestellt wird. Ein Peltier-Modul ist vorzugsweise aus einer Anzahl von thermisch parallel und elektronisch seriell geschalteten Thermoelementen aufgebaut. Im vorliegenden Fall 71 werden Thermoelemente eingesetzt. Ein Peltier-Modul ist im Prinzip eine Wärmepumpe, die von einem Halbleiter gebildet wird. An der "kalten Verbindungsstelle" oder "kalten Seite" eines Peltier-Moduls wird die Energie in Form von Wärme von Elektronen absorbiert (an ihrem Übergang von einem Halbleiter zum anderen). Diese Elektronen werden gezwungen sich von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres Energieniveau zu bewegen. Eine Spannungsquelle, eine Stromquelle oder ganz allgemein eine Stromversorgung zur elektrischen Ansteuerung 34 in Fig. 11 stellt die Energie bereit, mit der sich die Elektronen durch die Halbleiter bewegen. An der "warmen Verbindungsstelle" oder "warmen Seite" bewegen sich die Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedriges. Dort wird die Energie an die Umgebung abgeleitet. Dies bezieht sich nicht nur auf die Energie, die an der kalten Seite absorbiert wird, sondern auch auf die zusätzliche Energie, die erforderlich ist, um die Elektronen durch die Halbleiter des Peltier-Moduls zu bewegen. Die letztere Energie wird, wie zuvor erwähnt wurde, von der Stromquelle 34 bereitgestellt. Fig. 11 zeigt, dass 220 Volt über den Eingangsfilter 34a angelegt werden. Diese Spannung wird transformiert und in die Regelspannung T2 und die Ansteuerspannung T1 aufgeteilt, und zwar beide auf die erforderliche Niederspannung von 24 Volt. Die Wechselspannung wird in 34c gleichgerichtet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 11 und Fig. 1, zeigt die Fig. 1 zwei Zuleitungen 40, 41 für den Strom, die erforderlich sind, um die elektrische Energie von der Stromquelle 34 auf das Peltier-Modul 22, über das Schaltnetzteil 72, zu übertragen.

An der kalten Seite des Peltier-Moduls 22 ist ein Kühlkopf montiert. Dieser Kühlkopf hat vorzugsweise die Form eines abgeschnittenen Kegels, wobei die Grundfläche einen guten thermischen Kontakt mit der kalten Seite des Peltier-Moduls haben muss und die Deckfläche dazu dient, die Wärme von der zu behandelnden Oberfläche abzuleiten. Die Deckfläche kann auch als eine leicht kugelförmige Oberfläche ausgeführt werden, so dass die Kontaktfläche mit einer zu behandelnden elastischen Oberfläche durch festeres Andrücken der Kryosonde vergrößert werden kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und Fig. 3 wird ein Temperaturfühler 31 in den Kühlkopf 23 eingebaut, und zwar in die Bohrung 60 des Kühlkopfs. Er dient zur Regelung der Temperatur des Kühlkopfs. Deshalb werden die Fühlerdaten an den in Fig. 11 dargestellten Mikrocontroller 30b übertragen, der wiederum die geforderte Temperatur mit der des Temperaturfühlers 31 vergleicht, um die am Peltier-Modul angelegte Spannung zu regeln. Es ist wichtig, einen geeigneten Algorithmus für die Temperaturregelung zu ermitteln. Es wird eine Proportionalregelung bevorzugt, die in das EPROM des Regelkreises 30b integriert werden kann. Vorzugsweise ist der Temperaturfühler 31 ein Thermoelement oder ein Thermistor oder ein Pt100 oder ein NTC-Widerstand oder ein PTC-Widerstand oder eine 10 mV/ºC erzeugende Temperaturdiode, wobei zwischen zwei Leitern entweder eine Spannung, oder eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Temperatur bereitgestellt wird. Ein für die vorliegende Erfindung geeigneter Temperaturfühler 31 ist beispielsweise ein LM335 mit Anschlussdrähten 31a, 31b, 31c, der in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist und von National Semiconductor Corporation hergestellt wird. In diesem Fall kann ein dritter Leiter zum Temperaturfühler geführt werden. Der Letztere dient, falls erforderlich, zur Kalibrierung des Temperaturfühlers.

Der thermische Kontakt zwischen dem Temperaturfühler 31 und dem Kühlkopf 23 muss sorgfältig ausgeführt werden. Folglich kann der Temperaturfühler in eine Bohrung 60 im Kühlkopf 23 eingebaut und in Klebstoff oder eine Wärmeleitpaste, wie z. B. Dow Corning 340 "Heat Sink Compound", eingebettet werden.

Die an der warmen Seite des Peltier-Elements erzeugte Wärmemenge ist ungefähr genauso groß wie:

- die Wärmemenge, die an der kalten Seite abgeleitet wenden muss, zuzüglich:

- der Menge an elektrischer Energie, mit der das Peltier-Modul versorgt werden muss, damit dieses als Wärmepumpe arbeitet.

Es reicht nicht aus, die kalte Seite des Peltier-Moduls durch die Umgebungsluft erfindungsgemäß zu kühlen, sogar wenn diese über die warme Seite des Peltier-Moduls in einer erzwungenen Weise geleitet wird. Theoretisch könnte sogar Hochdruckluft eingesetzt werden, aber auch sie bringt keine ausreichende Kühlung. Eine gute Wärmeableitung von der warmen Seite lässt sich nur dadurch erreichen, dass ein geeignetes Wärmeableitungselement 24 in gutem thermischem Kontakt mit der warmen Seite des Peltier- Moduls gebracht wird. Die Wärmeableitungsmittel 24 müssen so ausgelegt werden, dass sie die geforderte Menge an Wärmekalorien ableiten können. Deshalb ist die Gesamtoberfläche, die Konstruktion der Kühlrippen, die Dicke und die Länge des Materials sehr wichtig.

Außerdem werden die Wärmeableitungsmittel gemäß unserer Erfindung vorzugsweise fast permanent von einer Kühlflüssigkeit gekühlt, die vorzugsweise aus 20% Ethylglykol und 80% demineralisiertem Wasser besteht. Die Kühlflüssigkeit transportiert die abgeleitete Wärme aus der Kryosonde.

Diese Kühlflüssigkeit hat vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit. Außerdem findet in der Flüssigkeit vorzugsweise ein Wärmetransport durch Konvektion statt. Die Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise durch einen Zuleitungskanal 26, wie in Fig. 1 dargestellt, über ein entsprechendes Anschlussstück 56 einem Behälter 25 zugeleitet und durch einen Ableitungskanal 27 über ein entsprechendes Anschlussstück 57 abgeleitet.

Die Außenfläche 21 des inneren Behälters 25 ist vorzugsweise aus Kunststoff. Es wird bevorzugt, dass der Kunststoff thermisch gut isoliert und darüber hinaus ist es wichtig, dass der Kunststoff 100% wasserdicht ist und kein Absorptionsvermögen für die Kühlflüssigkeit aufweist, so dass keine Materialausdehnungen auftreten können.

Bei dieser Erfindung setzen wir das Material PVC-MZ des Herstellers SIMONA ein. Dieses Material hat einen Temperaturbereich von -10ºC bis 65ºC, ist sehr Wasser abweisend und weist keine Nominalverformung in diesem Temperaturbereich auf. Außerdem lässt sich das Material einwandfrei kleben. Vorzugsweise ist der größte Teil der konischen Außenfläche des Kühlkopfs 23 gegen die Umgebungsluft durch einen thermisch isolierenden Kunststoff 59 abgedichtet. Einerseits ist dadurch die Wärmeübertragung von der Umgebungsluft zum Kühlkopf minimal und andererseits wird dadurch das Auftreten von Kondensation am Kühlkopf auf ein Minimum reduziert. So lässt sich die Kühlleistung des Peltier-Moduls optimal für die zu behandelnde Oberfläche 64 einsetzen. Es wird bevorzugt, den Kunststoff möglichst gut an der Außenfläche des Kühlkopfs unterzubringen, und zwar an zwei Kontaktlinien, wobei die sich eine an der Grundfläche des Kühlkopfs, wo das Peltier-Modul montiert ist, und die andere in der Nähe der Deckfläche des Kühlkopfs befindet. Es wird bevorzugt, zwischen diesen zwei Kontaktlinien, der Innenseite des Kunststoffs und der Außenfläche des Kühlkopfs einen dünnen Luftspalt zu lassen. Die ruhende Luft sorgt für eine zusätzliche thermische Isolation und durch die engen Kontaktlinien kann keine Umgebungsluft einströmen. Somit kann, wie zuvor beschrieben, die feuchte Umgebungsluft nicht an der Außenfläche des Kühlkopfs kondensieren.

Vorzugsweise werden die Außenfläche 54 des inneren Behälters 25 der Kryosonde und der Deckel der Außenfläche 59 des Kühlkopfs durch ein einteiliges Kunststoffgehäuse 21 gebildet. Dieses Kunststoffgehäuse hat vorzugsweise innen einen kreisförmigen Querschnitt, der die Montage der Innenteile der Kryosonde erheblich erleichtert, insbesondere bezüglich der Dichtungsteile. Außerdem kann die Außenfläche des Gehäuses überwiegend rund sein, wodurch die Handhabung erheblich verbessert wird. Die Außenfläche kann jedoch auch eine unregelmäßige Form aufweisen, die die Bauweise und die Handhabung verbessert. Es ist auch möglich, die Außenfläche des Gehäuses 21 mit Vertiefungen, Rillen und dergleichen zu versehen, um die Handhabung zu verbessern.

Ein wichtiges Merkmal der Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein optimaler Wärmetransport im Gesamtsystem erreicht wird, insbesondere

- vom Wärmeableitungselement 24

- zum Kühlkopf 23.

Außerdem muss eine schnelle Temperaturänderung des Kühlkopfs möglich sein, um spezifische Wärme- und Kältebehandlungen vornehmen zu können. Wie bekannt ist, wird die Kühl- oder Heizrichtung eines Peltier-Elements und eines Peltier-Moduls durch die gewählte Polarität der elektrischen Gleichspannung festgelegt. Diese Änderung lässt sich mit Hilfe einer Bedientafel 73, die in Fig. 11 dargestellt ist, kontrollieren. Folglich müssen mehrere Maßnahmen ergriffen werden.

Vor allem ist es von Vorteil, den Kühlkopf 23 aus einem festen Material herzustellen, das eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmeträgheit bzw. Wärmekapazität aufweist. Durch die hohe Wärmekapazität wird erreicht, dass die Temperatur des Kühlkopfs an fast allen Stellen den gleichen Wert hat. Dies ist beim kontinuierlichen Kühlen oder Heizen der zu behandelnden Oberfläche von Vorteil. Außerdem liefert der Temperaturfühler 31, der sich an irgendeiner Stelle im Kühlkopf befindet, immer genau die exakte Temperatur, die im gesamten Bereich des Kühlkopfs fast gleich ist. Die niedrige Wärmekapazität sorgt für eine schnelle Reaktion der Kryosonde bei erwünschten Temperaturänderungen. Wenn der Kahlkopf plötzlich durch das Peltier-Modul geheizt werden muss, um die Temperatur um 5ºC zu erhöhen, muss das Peltier-Modul eine Wärmemenge liefern, die proportional zu der Temperaturdifferenz (5ºC), der Masse des Kühlkopfs und denn Wärmekoeffizienten ist. Weil das Peltier- Modul nur einen maximalen Wärmefluss bzw. eine maximale Wärmemenge pro Zeiteinheit liefern oder absorbieren kann, ist ein niedriger Wärmekoeffizient für das Material des Kühlkopfs vorteilhaft, um die Gesamtreaktionszeit zu reduzieren.

Ein für den Kühlkopf geeignetes festes Material ist ein Metall, vorzugsweise Aluminium. Eine hauptsächlich aus Aluminium bestehende Legierung eignet sich ebenfalls gut für den Kühlkopf der Kryosonde gemäß der vorliegenden Erfindung. Einerseits entspricht dies den oben erwähnten Anforderungen bezüglich des Wärmekoeffizienten und andererseits hat dieses Material ein geringes Gewicht und lässt sich leicht mit Dreh- und Fräsmaschinen bearbeiten, was eine wichtige Voraussetzung für die Fertigung ist. Andere Metalllegierungen mit sonstigen Materialien können auch die vorteilhaften Wirkungen aufweisen. Es wird bevorzugt, alle Aluminiumteile zu anodisieren, und zwar mit einer Dicke von vorzugsweise 25 um, um sie gegen Oxidation durch die Kühlflüssigkeit und die Umgebungsluft am Kühlkopf 23 zu schützen. Zur Sicherstellung eines optimalen Wärmetransports

- über eine Kontaktfläche 52 zwischen der kalten Verbindungsstelle des Peltier-Moduls und dem Kühlkopf an einer Seite; und

- über die Kontaktfläche 53 zwischen der warmen Verbindungsstelle des Peltier-Moduls und dem Wärmeableitungselement an der anderen Seite,

ist es vorteilhaft, Wärmebarrieren zu verhindern. Ein guter Wärmetransport über diese Kontaktflächen lässt sich in erster Linie dadurch erreichen, dass die Elemente fest aneinander gedrückt werden. Dazu wird die Grundfläche des Kühlkopfs 23 mit zwei Löchern 42, 43 versehen, die in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt sind, wobei beide Löcher ein Innengewinde aufweisen. Das Wärmeableitungselement 24 ist mit zwei Bohrungen 46, 47 versehen. Jede dieser Bohrungen ist auf der Oberseite mit einem, in der Fig. 2 dargestellten Dichtungsring 48, 49 versehen. Diese Ringe verhindern einerseits, dass die Kühlflüssigkeit des Behälters in die zylindrischen Bohrungen 46, 47 eindringen kann. Andererseits dienen sie auch als Isolierung zwischen der kalten und der warmen Seite. Bei der Montage der Kryosonde wird eine Schraube 44, 45 in jede Bohrung 46, 47 und durch die Dichtungsringe 48, 49 gesteckt und in das entsprechende Gewindeloch 42, 43 im Kühlkopf 23 geschraubt. Beide Schrauben werden festgezogen, vorzugsweise bis zu einer Zugkraft von etwa 1 kg/cm.

Dadurch wird einerseits der Kühlkopf 23 fest an die kalte Verbindungsstelle des Peltier-Moduls 22 gedrückt und andererseits das Wärmeableitungselement 24 fest an die warme Verbindungsstelle des Peltier-Moduls 22 gedrückt. Man kann eine Schraube durch eine Klemme oder Klammer ersetzen, wie dies in der Patentanmeldung WO 87/07361 beschrieben ist. Eine solche Klemme oder Klammer verbindet den Kühlkopf unter Verwendung geeigneter Rillen im Gehäuse 21 mit dem Wärmeableitungselement. So muss nur eine Schraube montiert werden.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, muss vermieden werden, dass ein unerwünschter Wärmefluss zwischen dem Kühlkopf und dem Wärmeableitungselement geschaffen wird. Die Schrauben 44, 45 können deshalb ein Problem darstellen. Deshalb sind diese Schrauben vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material, z. B. Nylon oder Glasfaser. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Edelstahl eingesetzt, weil er eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat und sich deshalb zur Herstellung dieser Schrauben eignet.

Um den Wärmetransport über die Kontaktflächen 52, 53 weiter zu verbessern, wird bevorzugt, die mikroskopische Kontaktfläche zu maximieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine der Kontaktflächen sehr glatt gemacht wird und vorzugsweise durch Schleifen und Polieren, vorzugsweise mit einer Toleranz von zehn Mikrometer. Dies kann an der Grundfläche des Kühlkopfs 23 erfolgen, der mit der kalten Verbindungsstelle des Peltier-Moduls in Kontakt gebracht wird. Dies kann auch an der Kontaktfläche des Wärmeableitungselements 24 erfolgen, die mit der warmen. Verbindungsstelle des Peltier-Moduls in Kontakt gebracht wird.

Wenn feiner poliert wird als die oben erwähnten Toleranzen, werden die zusätzlichen Kosten durch die realisierte Verbesserung des Wärmetransports nicht ausreichend kompensiert. Die kalte und die warme Seite des Peltier-Moduls werden vorzugsweise bei der Fertigung bis auf die hohe Präzision von 2 Mikrometer poliert.

Um den Wärmetransport der oben beschriebenen Kontaktflächen weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, eine Wärmeleitpaste zwischen den beiden Flächen aufzubringen. Ein Beispiel für eine geeignete Wärmeleitpaste ist das Produkt "Head Sink Compound 340", das von Dow Corning hergestellt wird. Eine andere Möglichkeit, um die Verwendung der Pate zu vermeiden, ist der Einsatz von Wärmeleitfolien oder Patches zwischen den oben genannten Kontaktflächen. Beispielsweise kann ein Silber-Patch oder Kupfer-Patch eingesetzt werden. Diese Patches sind ziemlich gut wärmeleitend und weisen eine gute mechanische Dehnungsleistung auf, weil sie weich und gut verformbar sind. Ein bekannter Hersteller für diese Patches ist zum Beispiel die Firma "Kunze Folien" oder beispielsweise "Sarcon" von der Gruppe "Fujipoly". Diese Hersteller bieten eine ganze Palette von kunststoffähnlichen Kautschuken und Karbonfolien an, die gut wärmeleitend sind. Ein Verführen, das die besten thermischen und mechanischen Eigenschaften bietet, ist das Kleben, das gleichzeitig den Verzicht auf die Schrauben 44, 45, die in Fig. 1 dargestellt sind, ermöglicht. Durch den Klebstoff kann das zusätzliche Polieren und die Wärmeleitpaste entfallen. Die Funktion der letzten drei Bedingungen kann durch die Verwendung eines thermisch leitenden Klebstoffs erreicht werden. Auf dem Markt wird ein Basisklebstoff, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, für die Anwendung in der Mikroelektronik angeboten. Die Firma "Grace NV" bietet einen solchen Klebstoff auf dem Markt unter dem Handelsnamen "AMICON ct 4042- 32" an. Dies ist ein eingetragener Handelsname von "W. R Grace and Co". Dieser Klebstoff ist ein Zweikomponenten-Epoxidharz-Klebstoff, der zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit aus viel Silber besteht. Dieser Klebstoff hat eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit. Tests mit der erfindungsgemäßen Kryosonde haben gezeigt, dass dieser Klebstofftyp auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit bietet, die für den Apparat natürlich einen großen Vorteil darstellt.

Eigene Labortests haben gezeigt, dass beim Kleben ein Problem auftreten kann. Wenn der Klebstoff trocknet oder aushärtet, strumpft seine Struktur, weil die Lösungsmittel verdunsten, ungeachtet dessen, ob dieser chemisch oder durch zusätzliches Heizen aushärtet. Dies führt in vielen Fällen zu mikroskopischen bzw. winzigen unregelmäßigen Strukturen, bei denen der Klebstoff nicht homogen verteilt ist. In schlimmsten Fall können trotz einer Klebstoffdicke von nur 70 Mikrometer unübersehbare Luftblasen entstehen.

Diese Erscheinung verringert den Gesamtleitfähigkeits-Koeffizienten an den oben genannten Kontaktflächen beträchtlich. Um dieses Problem zu lösen, werden die geklebten Teile im Vakuum getrocknet. Während sich dies jedoch in der Fertigungspraxis nur schwer realisieren lässt, wurde die folgende Änderung vorgenommen:

- Zur Zusammensetzung des Klebstoffs wurde vorzugsweise 1% "Spacer" hinzugegeben; dieser "Spacer" ist ein Partikel einer Eigenentwicklung, das eine Dicke von vorzugsweise 50 Mikrometer aufweist und vorzugsweise aus einer Siliziumlegierung ist. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, kann dieses Partikel mit einer Metallschicht, vorzugsweise Silber, überzogen werden.

- Beim Kleben verbleibt vorzugsweise eine Schicht konstanter Dicke, die mit der Dicke der verwendeten Partikel übereinstimmt. Gemäß dieser Erfindung ist es vorteilhaft, 2,5 Gramm Klebstoff aufzutragen, und zwar indem auf die Oberfläche von 9 cm² an 5 Punkten jeweils 0,5 Gramm Klebstoff aufgebracht wird.

- Wenn die Teile zusammengebaut werden, wird eine kleine mechanische Kraft von vorzugsweise 300 g oben auf dem zu klebenden Teil aufgebracht.

- Für den Aushärtungsprozess ist die Dicke der Klebstoffschicht ein wenig größer und nach der Verdunstung der Lösungsmittel wird ein kontinuierliches Dickenprofil über die gesamte geklebte Fläche erreicht, ohne irgendwelche wahrnehmbaren Luftblasen.

Das kleine Gewicht von 300 g eignet sich für eine Oberfläche des zu klebenden Teils des Kühlkopfs von 9 cm², die bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt. Die Nutzklebefläche entspricht natürlich der maximalen Größenabmessung des Peltier-Moduls. Dies ergibt für die vorliegende Erfindung eine sehr geeignete Verbindungstechnik

- zwischen der kalten Verbindungsstelle und dem Kühlkopf; und

- zwischen der warmen Verbindungsstelle und dem Wärmeableitungselement;

sowohl mechanisch als auch thermodynamisch. Die Kryosonde lässt sich vorzugsweise gemäß dem folgenden Verfahren zusammenbauen.

1. Die Grundfläche 52 des Kühlkopfs und/oder die kalte Verbindungsstelle des Peltier-Moduls werden bzw. wird mit einem thermisch leitenden Klebstoff versehen.

2. Die Grundfläche 52 und die kalte Verbindungsstelle werden übereinander angeordnet.

3. Die Grundfläche 53 des Wärmeableitungselements und/oder die warme Verbindungsstelle des Peltier-Moduls werden bzw. wird auch mit thermisch leitende Klebstoff versehen.

4. Die Grundfläche 53 und die kalte Verbindungsstelle werden übereinander angeordnet.

5. Die gesamte Baugruppe wird in eine Konstruktion oder einen Halter eingelegt, so dass keine horizontale Bewegungen möglich sind. Oben auf die Baugruppe wird ein Gewicht von vorzugsweise 300 g gestellt.

6. Die Elektronik wird zur Temperaturregelung als Thermostatkreis angeschlossen und am Peltier- Modul wird eine Wechselspannung angelegt. Dadurch wird das Peltier-Modul, im Unterschied zu seinem normalen Einsatz, an beiden Seiten auf eine Temperatur von vorzugsweise 110ºC aufgeheizt.

7. Sobald die Temperatur höher ist als 110ºC, wird die Wechselspannung ausgeschaltet, wenn sie kleiner als 110ºC ist, wird sie wieder eingeschaltet.

8. Der Schritt 7 wird vorzugsweise 30 Minuten lang wiederholt, bis der Klebstoff vollständig ausgehärtet ist.

Die Aushärtung des Klebstoffs kann auch dadurch erreicht werden, dass das zuvor beschriebene komplette System zum Beispiel in einem Ofen, dessen Temperatur sich ziemlich gut regeln lässt, extern aufgeheizt wird. Es ist nicht erforderlich, dass der thermisch leitende Klebstoff nur Silber enthält. Andere gute thermische leitende Füllmaterialien können vorteilhaft sein, z. B. eine Manganlegierung.

Die Grundfläche des Kühlkopfs 52 kann an die kalte Verbindungsstelle des Peltier-Moduls gelötet werden. Es ist auch vorteilhaft, die Grundfläche des Wärmeableitungselements 53 an die warme Verbindungsstelle des Peltier-Moduls zu löten. Auch dieser Arbeitsgang erfolgt vorzugsweise in einem Ofen. Die Temperaturen dürfen jedoch nicht höher sein, als die vom Hersteller angegebenen Daten, um die Lebensdauer des Peltier-Moduls nicht zu beeinträchtigen. Um den. Wärmetransport zwischen dem Wärmeableitungselement 24 und der Kühlflüssigkeit zu optimieren, ist es vorteilhaft, das Wärmeableitungselement mit vorzugsweise einer Kühlrippe zu versehen. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Wärmeableitungselement. Diese Kontaktfläche kann weiter vergrößert werden, indem mehrere Kühlrippen vorgesehen werden. Es ist auch ein. Betrieb ohne eine Kühlrippe möglich.

Das Wärmeableitungselement muss die Kühlflüssigkeit gut von der Kammer trennen, wo sich das Peltier- Modul befindet. Dies lässt sich durch eine optimale mechanische Passung zwischen dem Wärmeableitungselement 24 und dem Gehäuse 21 mit Hilfe von Druck erreichen. Das Gleiche gilt für den Kühlkopf 23 und das Gehäuse 21, wenn eine optimale mechanische Passung erreicht werden soll. Eine bevorzugte Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, das Wärmeableitungselement scheibenförmig oder zylindrisch auszuführen, mit einer kreisförmigen Vertiefung für einen O-Ring, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Vertiefung wird in der Außenfläche des Zylinders hergestellt. Der O-Ring drückt mit seiner Außenseite gegen die zylindrische Innenseite des Gehäuses 21 und mit seiner Innenseite gegen die Vertiefung in der Außenfläche des Wärmeableitungselements 24. Dadurch wird eine optimale Abdichtung für die Kühlflüssigkeit erreicht. Es wird bevorzugt, den O-Ring aus Teflon-Material herzustellen. Andere Materialien können auch in Erwägung gezogen werden, solange sie gegen die Kühlflüssigkeit und die sich schnell ändernden Temperaturen beständig sind. Der Behälter 26 wird vorzugsweise oben durch einen scheibenförmigen Deckel 50 abgedichtet, der auf einem Flansch 55 im Gehäuse 21 aufliegt. Bei der Montage wird dieser Deckel auf den Flansch geklebt.

Wie bereits oben beschrieben wurde, dienen die elektrischen Leitungen oder Drähte 40, 41 dazu, das Peltier-Modul mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Drähte könnten seitlich zur Kryosonde geführt werden. Dies bereitet jedoch praktische Komplikationen hinsichtlich der leichten Handhabung des Apparats. Es ist vorteilhaft, dass diese Drähte von oben in den Apparat geführt werden, und zwar zusammen mit dem Zuleitungsrohr und Ableitungsrohr für die Flüssigkeit. Die elektrischen Drähte 40, 41, 31a, 31b, 31c, die in der Fig. 1, 2 und 3 dargestellt sind, müssen das Peltier-Modul über die Kühlflüssigkeit erreichen, dabei ist zu vermeiden, dass die Kühlflüssigkeit das Peltier-Modul erreicht. Es wird deshalb bevorzugt, ein Dichtungsrohr 39 vorzusehen, das in Fig. 1 dargestellt ist. Dieses Rohr 39 beginnt in der Luftkammer 51 und wird dort auch durch den O-Ring 55 im Deckel 50 abgedichtet. Das Rohr 39 verläuft bis zur zylindrischen Bohrung im Wärmeableitungselement. Bei der Montage wird das Dichtungsrohr 39, unten am Wärmeableitungselement, vorzugsweise fest geklebt. Die Klebung kann mit Hilfe eines Zweikomponenten-Epoxidharz-Klebstoffs wie beispielsweise einem Klebstoff, der das Warenzeichen "CIBA-GEIGY" mit dem Handelsnamen "Araldite" trägt, ausgeführt werden. Dieses Dichtungsrohr 39 kann gleichermaßen dazu verwendet werden, um die in der Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Drähte oder Leiter 31a, 31b, 31c des Temperaturfühlers 31 von der Luftkammer 51 bis zum Kühlkopf 23 zu führen.

Eine geeignete Kühlflüssigkeit, die einen günstigen Preis hat, ist Wasser. Reines und freies Kühlwasser lässt sich meistens direkt aus dem Leitungswassernetz entnehmen. Das Zuleitungsrohr 26 wird folglich an einen Hahn angeschlossen, während das Ableitungsrohr 27 an einem Abfluss einer Hausinstallation angeschlossen werden kann. Die Kryosonde erfordert im Betrieb, je nach Wassertemperatur, einen Wasserdurchfluss von 1 Liter pro Minute. In Industrieländern, wo das Leitungswasser eine ausreichend niedrige Temperatur von 10ºC aufweist, kann dies eine geeignete Lösung darstellen, unter der Voraussetzung, dass zusätzlich zu dem Filter des Wasserleitungsnetzes in Serie eine kleine Wasser- Entmineralisierungseinheit installiert wird. Es wäre vorteilhaft, das Zuleitungsrohr mit einem Schließventil zu versehen, mit dem die Versorgung mit Wasser in Abhängigkeit der elektrischen Ansteuerung durch die Steuerelektronik erfolgen kann und das andererseits schließt, sobald ein spezifisches Programm der Kryosonde beendet ist, um einen Wasserverlust zu verhindern, und das andererseits den Wasserkreislauf schließt, wenn eine Störung im System auftritt, wie z. B. ein Leck in den Anschlussleitungen. Da, wo die Verfügbarkeit von Leitungswasser für die Kühlung problematisch ist, kann die Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf, der eine Umwälzpumpe aufweist, umlaufen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Es ist auch vorteilhaft, zum Wasser im geschlossenen Kreislauf Glykol hinzuzugegeben, vorzugsweise etwa 20%. Damit wird verhindert, dass durch Heizen des Kühlkopfs 23, die Wärmeableitungseinheit 24 mit einer Kühlung unter null Grad Celsius beginnen und im Wasserbehälter 26 das reine Wasser gefrieren würde.

Der Kreislauf muss dann auch einen Wärmetauscher 29 enthalten, der die Wärme der Kühlflüssigkeit an die Umgebung ableitet, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein (Kühl-) Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher, mit Zwangsluftkühlung. Natürlich ist das System dann noch von der Umgebungstemperatur abhängig, die den Wirkungsgrad der Sonde erheblich beeinflussen kann. Der Grund dafür ist, dass das System die kalte Seite umso mehr kühlen kann, je niedriger die Temperatur auf der warmen Seite ist. Dies wird im Folgenden verdeutlicht.

Thermoelektrische Effekte sind mit kombinierten Wärme- und Stromflüssen verbunden. Die zwei weithin bekanntesten Effekte sind der Seebeck-Effekt und der Peltier-Effekt.

Fig. 4: Seebeck-Effekt

Wenn zwei verschiedene Drähte a und b einen Stromkreis bilden und die Verbindungsstellen, Th und Tl, zwischen a und b eine unterschiedliche Temperatur haben, lässt sich eine Spannungsdifferenz feststellen. Diese Spannung Eab ist die Seebeck-Spannung und ist zur Temperaturdifferenz proportional:

Eab = SabΔT, ΔT = Th - Tl

wobei Sab der relative Seebeck-Koeffizient zwischen den Materialien a und b ist.

Fig. 5. Peltier-Effekt

Wenn ein Strom durch einen Stromkreis aus zwei verschiedenen. Materialien, a und b, geschickt wird, dann wird an einer Verbindungsstelle Tb Wärme absorbiert und an der anderen Verbindungsstelle Tl Wärme freigesetzt. Die Wärmemenge Qab ist zum Strom I proportional,

Qab = ΠabI,

wobei Πab der relative Peltier-Koeffizient zwischen den zwei Materialien a und b ist. Lord Kelvin entdeckte auf der Grundlage der thermodynamischen Prinzipien, dass der Seebeck- und der Peltier-Koeffizient miteinander in Beziehung stehen,

Πab = SabT.

Freie Elektronen bewegen sich in einem Metall auf einem bestimmten Energieniveau, das vom Metall abhängig ist. Wenn zwei verschiedene Metalle miteinander in Kontakt kommen, fließen die Elektronen in dem Metall mit dem höchsten Energieniveau zu dem Metall mit dem niedrigeren Energieniveau. Der Effekt ist, dass das Metall mit dem niedrigsten Energieniveau mehr Elektronen erhält und negativ aufgeladen wird. Die auf diese Weise aufgebaute Spannung verhindert, dass noch mehr Elektronen fließen: Es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Diese Spannung ist für zwei Materialien charakteristisch. Diese Spannung lässt sich nicht messen, da jeder Versuch einer Messung neue Verbindungsstellen erforderlich macht (d. h. mit den Zuleitungen des Voltmeters), was dazu fuhrt, dass sich die Spannungen einander aufheben.

Die sich einstellende Spannungsdifferenz ist jedoch temperaturabhängig. Wenn zwei Verbindungsstellen hergestellt werden, die einen unterschiedlichen Temperaturwert aufweisen, ergibt sich eine Nettospannungsdifferenz, die gemessen werden kann. Diese Spannung ist die Seebeck-Spannung. Sie ist zur Temperaturdifferenz proportional und von der Art der Materialien abhängig. Wenn ein Strom durch ein Stromkreis erzwungen wird, der aus zwei verschiedenen Metallen besteht, müssen die Elektronen an der einen Verbindungsstelle "hochsteigen" (von einem niedrigen auf ein höheres Energieniveau). Zum Aufsteigen absorbieren sie Energie von der Umgebung, was einer Kühlung entspricht (wie z. B. auch Aceton, das verdampft, Wärme von der Umgebung absorbiert). An der anderen Verbindungsstelle fallen die Elektronen "herunter" und setzen Energie frei, was einer Freisetzung von Wärme entspricht. Die Wärmemenge, die von der kalten Seite abgeleitet wird, hängt von der Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit fließen, das heißt dem Strom ab.

Dies ist der Peltier-Effekt.

Fig. 6: Kühlapparat.

Im Folgenden wird die Kühlleistung eines einfachen Peltier-Kreises erörtert, der aus einem n- und einem p-Schenkel besteht. Drei Effekte sind dafür zu untersuchen: der Peltier-Effekt an den Verbindungsstellen, die Joulesche Wärme, die von dem Strom, der durch den Stromkreis fließt, erzeugt wird und die Wärmeleitung durch die Schenkel.

Die Energiebilanz eines Peltier-Kühlers lässt sich angeben, wenn man die drei Wärmeflüsse berücksichtigt:

- den Peltier-Effekt an den Verbindungsstellen, der mit den zuvor beschriebenen Formeln einen Wärmefluss von S T I liefert, wobei S der Seebeck-Koeffizient, T die Temperatur an der Verbindungsstelle und I der Strom durch das Element ist.

- die Joulesche Wärme, die den Wärmefluss RI² liefert, wobei R der elektrische Widerstand ist. Eine detaillierte Analyse (mit Differentialgleichungen) ergibt, dass genau die eine Hälfte der Jouleschen Wärme zu der warmen Verbindungsstelle und genau die andere Hälfte zur kalten Verbindungsstelle fließt.

- die Wärmeleitfähigkeit, mit dem Wärmefluss KΔT, wobei K die Wärmeleitfähigkeit und ΔT die Temperaturdifferenz ist. Die zwei Verbindungsstellen haben eine verschiedene Temperatur, deshalb fließt Wärme von der warmen zur kalten Seite.

Die Energiebilanz (d. h. die Wärme Qc, die an der kalten Seite absorbiert und die Wärme Qh, die an der warmen Seite freigesetzt wird) beträgt dann

Qc = STcI - KΔT - 1/2RI², (1)

Qh = SThI - KΔT - 1/2RI².

Ziel ist die maximale Kühlung, d. h. die Maximierung von Qc. Deshalb wird die erste Ableitung berechnet:

dQc/dI = STc - RI = 0.

Diese Gleichung ist erfüllt, wenn

R = STc/I. (I)

R ist durch die Parameter des Metalls und der Geometrie festgelegt,

R = ρI/A.

Der spezifische Widerstand r ist durch das verwendete Material festgelegt. Durch die Gleichung (2) wird hinsichtlich der Geometrie eine Einschränkung auferlegt (ein Verhältnis zwischen der Länge 1 und dem Querschnitt A), und zwar sobald der Betriebsstrom bestimmt wurde. Weil die Geometrie jetzt festgelegt ist, ist auch K festgelegt,

K = κA/l.

wobei k die Wärmeleitfähigkeit ist.

Wenn in der Gleichung (1) R durch die Gleichung (2) ersetzt wird, ergibt sich:

Qc = 1/2STcI - KΔT

Anhand dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass die maximale Kühlleistung durch den Seebeck- Koeffizienten S (Materialparameter), die Temperatur der kalten Verbindungsstelle Tc (Auslegungsparameter), den Strom I (regelbar, aber durch die maximale Stromdichte begrenzt), die Wärmeleitfähigkeit K (ist festgelegt durch Optimierung der Geometrie) und ΔT (bestimmt durch die Kühlleistung an der warmen Verbindungsstelle) festgelegt ist.

Die Kühlleistung lässt sich folglich dadurch maximieren, dass die Temperaturdifferenz ΔT minimiert wird, d. h. durch eine möglichst starke Kühlung der warmen Verbindungsstelle.

Die am Element anzulegende Spannung besteht aus zwei Anteilen: dem Spannungsabfall am Widerstand ΔV = RI und der Seebeck-Spannung, die durch die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Verbindungsstellen hervorgerufen wurde ΔV = SΔT. Die gesamte eingespeiste Leistung beträgt dann

Pin = VI = (SΔT + RI)I = SΔTI + RI².

Auch daran lässt sich erkennen, dass sich die eingespeiste Leistung durch Verringerung der Temperaturdifferenz ΔT minimieren lässt.

Für das in dieser Erfindung verwendete Peltier-Element (Umax = 8 V; Imax = 8,5 A; Qmax = 38,5 W bei Th = 25ºC und ΔTmax = 67ºC) wurden einige Kennlinien berechnet.

Fig. 7: Die maximale Kühlleistung in Abhängigkeit der Temperatur an der kalten Verbindungsstelle, berechnet für einige Temperaturen an der warmen Verbindungsstelle (die linearen Kennlinien a = 0ºC, b = 15ºC, c = 20ºC, d = 30ºC)

Fig. 8: Die maximale Kühlleistung in Abhängigkeit der Temperatur an der warmen Verbindungsstelle, berechnet für einige Temperaturen an der kalten Verbindungsstelle (die linearen Kennlinien a = -10ºC, b = 0ºC, c = 10ºC, d = 20ºC)

Anhand der oben abgeleiteten Formeln und Grafiken ist eindeutig nachgewiesen, dass die maximale Abgabekühlleistung sich nur erzielen lässt, wenn die warme Seite des Peltier-Moduls auf einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten wird oder mit anderen Worten, möglichst gut die geforderte Temperatur erreicht wird, falls diese Temperatur unbedingt konstant gehalten werden soll. Es lässt sich somit sagen, dass die Kunst darin, besteht, die Wärme von einem Peltier-Modul in einer korrekten Weise abzuleiten, um so den höchsten Wirkungsgrad zu nutzen. Dieses Merkmal wird gemäß der vorliegenden Erfindung maximal genutzt.

Bei zu hoher Umgebungstemperatur ist es vorteilhaft mit einem Wärmetauscher zu arbeiten, der mit einem oder mehreren Peltier-Elementen versehen ist. Die Wärme dieses Elements kann vorzugsweise über eine breite Kühlrippe, unter Verwendung gekühlter Ventilation, freigesetzt werden.

Die beste Möglichkeit von der Temperatur der Umgebungsluft weitgehend unabhängig zu sein, ist es, den Wärmetauscher 29, dargestellt in Fig. 10, mit einer Gasleitung und einem Verdampfer 80 auszustatten. Dieser Verdampfer absorbiert die Wärme gemäß dem Kompressions-/Expansionsprinzip. Im Folgenden wird dieses Prinzip kurz erläutert: Vor dem Kompressor 77 ist gerade gesättigter Dampf vorhanden, der verdichtet wird, um überhitzten Dampf zu erhalten. Dieser Drampf gelangt zu einem Kondensator 78, der den überhitzten Dampf zu einer gerade gesättigten Flüssigkeit umwandelt. Diese unter hohem Druck stehende Flüssigkeit fließt danach durch ein Kapillarrohr 71, wo der Hochdruck in Niederdruck umgewandelt wird. Die Länge dieses Kapillarrohrs bestimmt den Druckabfall und somit die Verdampfungstemperatur des gasförmigen Gemischs. Danach strömt dieses gasförmige Gemisch in den Wärmetauscher 29, wobei dieses Gasrohr 80 seine Wärme aus der Umgebung absorbiert. So kühlt sich die Kühlflüssigkeit auf die gewünschte Temperatur ab. Dieses System wird traditionell bei Haushaltskühlschränken angewendet. Bei der vorliegenden Erfindung wurde meistens ein Kompressor der Marke "Danfoss" und der Typ PL50fxno eingesetzt. Dieser Kompressor kann Wärme wegpumpen, um so das Kühlwasser auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Die Kompressions- und Expansionsflüssigkeit kann beispielsweise "Freon R 134 a" sein. Fig. 10 zeigt einen thermodynamischen Plan in Form eines Blockschaltbilds.

In der Fig. 11 zeigen die Bezugszeichen 34, 30 und 72 die elektronische Regelung des Peltier-Moduls. Diese Regelung ist vorzugsweise eine Quelle 34, 30, 72, bei der der Strom und die Spannung regelbar sind. Die Stromregelung 75 ist sehr wichtig, weil für ein Peltier-Element typisch ist, dass sich sein Innenwiderstand mit der Betriebszeit verringert. Folglich würde bei fehlender Stromregelung der Widerstand nach einiger Zeit abnehmen und der Strom zunehmen. Der Strom würde über den programmierten, vom Hersteller spezifizierten Höchstwert steigen. Die Folge wäre, dass einerseits die Kühlung stark abnehmen und andererseits die Peltier-Elemente sehr schnell bis zur Zerstörung beschädigt würden. Deshalb regelt die elektronische Regelung und das Schaltnetzteil 30, 72 permanent den Maximalstrom und die Maximalspannung. Wenn der Maximalstrom überschritten wird, schaltet die Elektronik das gesamte System, auch zur Vorsorge, ab.

Wenn die Temperatur des Kühlkopfs gemäß dem gewünschten Zeitmuster variiert wird und auch spezifische Randbedingungen hinsichtlich der Temperatur oder der Temperaturvariationen auferlegt werden müssen, ist es vorteilhaft, dass die elektronische Regelung 30 ihre Leistung von einem Gleichspannungswandler 30 erhält, damit das gesamte Rauschen, das über die Mittel in das System gelangt, beseitigt wird. Die Information bezüglich des Temperaturprofils wird bereitgestellt

- einerseits von einem internen Programm, das im EPROM 30b geladen ist; und

- andererseits durch Informationen der externen Temperaturfilter 33, 31.

Der Temperaturfühler 31 (Fig. 3 und Fig. 11) im Kühlkopf 23 liefet vorzugsweise die Information an die Elektronik, die zur Temperaturregelung des Kühlkopfs erforderlich ist. Dies ist jedoch in einem üblichen Thermostatkreis mit einer Ein-Aus-Regelung nicht möglich. Die hohen Ansteuerungsströme würden das Peltier-Element wegen des großen Thermoschocks beschädigen, mit dem es jedes Mal beim Ein- und Ausschalten des Maximalstroms fertig werden müsste.

Eine bis auf 1ºC genaue Regelung wäre schwierig. Die Proportionalregelung ist vorteilhaft und stellt eine machbare Lösung dar, die sich beispielsweise mit einem IBM-Computer über den Eingang 76 programmieren lässt. Ein Proportionalregler regelt kontinuierlich die Stellgröße und somit das Verhältnis zwischen dem Soll- und dem Istwert des Temperaturfühlers 31a, b, c. Auf diese Weise wird die gewünschte Prozesstemperatur (geforderter Sollwert) konstant gehalten.

Bei einer großen Temperaturdifferenz steigt die Spannung in großen Sprüngen, bei einer kleinen gemessenen Temperaturdifferenz in kleinen Stufen, und zwar so lange, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Dieses Regelungsverfahren erfolgt im Mikroprozessorteil 30b. Der Signal wird zuallererst aus Sicherheitsgründen im optischen. Trenner 30c optisch getrennt. Danach wird das Signal an das Schaltnetzteil 72 gesendet, um das Peltier-Modul mit einer einwandfreien Ausgangsspannung zu versorgen. Folglich wird vorzugsweise die elektronische Regelung 30 mit einem Bedienfeld ausgestattet, das zur Einstellung der gewünschten Temperatur des Kühlkopfs dient. Die gewünschte Temperatur lässt sich beispielsweise zwischen dem Mindestwert -10ºC und dem Höchstwert +45ºC festlegen. Die gewünschte Temperatur lässt sich sogar als Funktion der Zeit programmieren. Zur Benutzerfreundlichkeit ist es vorteilhaft, die elektronische Regelung mit einer Anzeige 36a zu versehen, auf der das Temperaturverfahren verfolgt werden kann. Es ist auch von Vorteil, aber nicht notwendig, eine zweite Anzeige 36 bereitzustellen, mit der über die menügesteuerte Software die Einstellungen angezeigt werden können. Die elektronischen Regelung 30 lässt sich beispielsweise durch einen Mikrocontroller des Typs D87C51FA der Marke Intel realisieren. Ein E/A-Port des Mikrocontrollers kann zur Regelung einer regelbaren Stromquelle des Typs NFS-110-7912 der Marke "RS" eingesetzt werden, mit der die gewünschte elektrische Energie zum Peltier-Modul in der Kryosonde transportiert wird. Deshalb müssen sich die Spannung und der Strom der Stromversorgung gut regeln lassen. Die Elektronik kann auch alle Funktionen des Mikrocontrollers für die Schnittstellenanbindung eines Standard-IBM- kompatiblen PCs 76 übernehmen. Die Ausgangsgröße wird vorzugsweise durch die elektronische Regelung 30 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlkopfs und der gewünschten Temperatur des Kühlkopfs, die vom Benutzer eingestellt wird, bestimmt. Für den Wirkungsgrad des Peltier-Moduls ist es auch wichtig, dass eine gute Gleichspannung bereitgestellt wird, auf der wenig Rauschen vorhanden ist, vorzugsweise weniger als 5%. Dies lässt sich durch das Schaltnetzteil 72 erreichen. Die Spannung, die dem Peltier-Modul bereitgestellt wird, hängt von dem Modultyp und dem Hersteller ab. Weil das System gemäß der vorliegenden Erfindung für eine medizinische Anwendung bestimmt ist, wird bevorzugt, keine höhere Spannung als +24 Volt zu verwenden. Ferner sind alle elektrischen Normen bezüglich Leckströme und feuerbeständigen Komponenten zu berücksichtigen. Wenn der Kühlkopf kühlen muss, stimmt die Polaritätsrichtung der Spannung des Peltier-Moduls mit der überein, die vom Hersteller festgelegt wird und mit der dann auch der Anschluss zu erfolgen hat. Wenn der Kühlkopf 23 Wärme erzeugen muss, wird die Stromversorgung umgepolt, so dass die kalte Verbindungsstelle des Peltier-Moduls Wärme erzeugt und die warme Verbindungsstelle Wärme vom Wärmeableitungselement 24 und dem Kühlkopf absorbiert. Um die Sicherheit der Kryosonde zu verbessern, wird der Behälter für die Kühlflüssigkeit 25 vorzugsweise mit einem Temperaturfühler 33 versehen. Mit diesem Fühler wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit geregelt und die Spannung der Stromversorgung am Peltier-Modul wird abgeschaltet, wenn diese Temperatur auf einen zu hohen Wert gestiegen ist. Dies kann geschehen, wenn eine Betriebsstörung hinsichtlich der Zufuhr der Kühlflüssigkeit auftreten würde, oder wenn eine Wasserpumpe ausfällt oder im Falle eines Ausfalls, wenn eine Kompressionskühleinheit, wie in Fig. 10 dargestellt, eingesetzt wird. Bei Einsatz einer Kompressionskühleinheit wird bevorzugt, in deren Gehäuse einen kleinen Neigungskontakt 74, siehe Fig. 11, einzubauen. Der Neigungskontakt kann von der Marke RS und vom Typ "337-289" sein. Dieser Kontakt muss kontinuierlich kontrollieren, ob der Neigungswinkel des Kompressors nicht den vom Hersteller spezifizierten Wert überschreitet. Ansonsten könnte Flüssigkeit in den Kompressor gelangen und ihn zerstören. Es wird bevorzugt, den Neigungsfühler mit einem elektronischen Zeitmechanismus zu verbinden, der dem Mikrocontroller immer meldet, wenn das oben erwähnte Problem auftreten könnte. Dies hat als Konsequenz, dass bei Eingang einer Neigungsmeldung sofort ein Betriebsstopp erfolgt und zum Schutz eine Wartezeit von vorzugsweise 4 Stunden gestartet wird, nach deren Verstreichen die Maschine erst wieder gestartet werden kann. Dieses Verfahren lässt sich auch steuern, wenn die Einheit nicht von der Stromversorgung, sondern mit Hilfe einer internen Batterie gespeist wird, die eine bistabile Kippstufe speist, die ihrerseits den Status des Neigungsfühlers speichert.

Fig. 12 zeigt ein Modell der Kryosonde in Explosionsdarstellung gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Fig. 13 zeigt das entsprechende zusammengesetzte dreidimensionale Modell. Alle Teile der Fig. 12 sind mit den Nummern versehen, die denen in der Fig. 1 entsprechen. Ihre Funktion und Wechselbeziehung stimmt mit der überein, die oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Es ist für einen Fachmann klar, dass Abwandlungen an jeder verbesserten Form vorgenommen sowie diesbezüglich Einzelheiten bereitgestellt werden können, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, beeinträchtigt wird.

21: Kunststoffgehäuse Fig. 1, 2, 3

21a: unteres Gehäuse

21b: oberes Gehäuse

22: Peltier-Modul Fig. 1, 3, 9, 10

23: Kühlkopf Fig. 1, 9, 10

24: Wärmeableitungselement Fig. 1, 2, 9, 10

25: Behälter für thermisch leitende Flüssigkeit Fig. 1

26: Zuleitungskanal für thermisch leitende Flüssigkeit Fig. 1, 9, 10

27: Ableitungskanal für thermisch leitende Flüssigkeit Fig. 1, 9, 10

28: Umwälzpumpe Fig. 9, 10

29: Wärmetauscher Flüssigkeit/Flüssigkeit Fig. 10

29a: Wärmetauscher Luft/Flüssigkeit Fig. 9

30: elektronische Regelung Fig. 11

30a: Gleichspannungswandlung Fig. 11

30b: Mikrocontroller-Steuereinheit Fig. 11

30c: optische Trennung Fig. 11

31a: Anschlussdrähte für Temperaturfühler 31 Fig. 2, 3

31b: Anschlussdrähte für Temperaturfühler 31 Fig. 2, 3

31c: Anschlussdrähte für Temperaturfühler 31 Fig. 2, 3

33: Temperaturfühler in Kühlflüssigkeit Fig. 1, 9, 10

34: Stromversorgung Fig. 11

34a: Eingangsfilter Fig. 11

34b: Transformatoren Fig. 11

34c: Gleichrichter Fig. 11

35: Bedienfeld Fig. 11

36: LCD-Anzeige 2 · 16 Zeichen Fig. 11

36a: LED 4 · 7 Segment-Anzeigen Fig. 11

37: O-Ring zur Abdichtung der Kühlflüssigkeit Fig. 1

38: Kühlrippen am Wärmeableitungselement Fig. 2

39: Dichtungsrohr Fig. 1, 9

40: Draht für Stromversorgung Fig. 1, 2, 3

41: Draht für Stromversorgung Fig. 1, 2, 3

42: Gewindeloch im Kühlkopf zur Befestigung des Wärmeableitungselements Fig. 1, 3

43: Gewindeloch im Kühlkopf zur Befestigung des Wärmeableitungselements Fig. 1, 3

43a: Gewindeloch für Schraube

43b: Gewindeloch für Schraube

43c: Gewindeloch für Schraube

43d: Gewindeloch für Schraube

44: wärmeisolierende Schraube Fig. 1

45: wärmeisolierende Schraube Fig. 1

46: Bohrung im Wärmeableitungselement für Schraube Fig. 1, 2

46a: Loch in unterer Scheibe

46b: Loch in unterer Scheibe

46c: Loch in unterer Scheibe

46d: Loch in unterer Scheibe

47: Bohrung im Wärmeableitungselement für Schraube Fig. 1, 2

48: Dichtungsring Fig. 2

49: Dichtungsring Fig. 2

50: Dichtungsscheibe Fig. 1

51: Luftkammer Fig. 1

52: Kontaktfläche zwischen der kalten Verbindungsstelle des Peltier-Moduls und dem Kühlkopf Fig. 1, 3

53: Kontaktfläche zwischen der warmen Verbindungsstelle des Peltier-Moduls und dem Wärmeableitungselement Fig. 1, 3

54: Außenfläche des Behälters (25) Fig. 1

55: Dichtungs-O-Ring Dichtungsrohr Fig. 1

56: Wassereintrittsöffnung Fig. 1

57: Wasseraustrittsöffnung Fig. 1

58: Dichtungs-Anschlussstück für Temperaturfühler Kühlflüssigkeit Fig. 1

59: Außenflächen-Isolierschutz um Kühlkopf Fig. 1

60: Bohrung im Kühlkopf für Temperaturfühler 31 Fig. 1

61: Dichtungsdeckel des Kühlkopfs Fig. 1

62: Befestigungsschraube für Dichtungsdeckel Fig. 1

63: Außenflächen-Schutz für Zuleitung der Drähte zur Kryosonde Fig. 1

64: Kontaktfläche für Behandlung Fig. 1, 10

65: Luftspalt zwischen Kühlkopf und Außenfläche des Kunststoffgehäuses Fig. 1

66: Bohrung im Dichtungsdeckel für Befestigungsschraube Fig. 1

67: Bohrung mit Gewinde Fig. 1

68: Bohrung mit Gewinde für Wassereintrittsöffnung Fig. 1

69: Bohrung mit Gewinde für Wasseraustrittsöffnung Fig. 1

70: Bohrung im Wärmeableitungselement für Befestigung Ableitungskanal Fig. 1, 2

71: Kapillarrohr Fig. 10

72: Schaltnetzteil Fig. 11

73: Bedienfeld Fig. 11

74: Neigungskontakt Fig. 11

75: Einstellung Stromregelung Fig. 11

76: PC-Anschluss RS-232 Fig. 11

77: Kompressor Fig. 10

78: Kondensator Fig. 10

79: Ventilator Fig. 10

80: Verdampfer Fig. 10

81: enger Teil des oberen Gehäuses

82: weiter Teil des unteren Gehäuses

83: Flansch

84: untere Kreisscheibe

85: Rille

86: Becher

87: Kühlrippen

88: Öffnung

89: kreisförmige Rille im Kühlkopf

90: O-Ring für kreisförmige Rille 89

91: Kanal für Wärmefühler